组合式流体动压槽的非接触机械密封环的制作方法

本发明涉及一种机械密封环的密封端面结构，具体讲是一种对密封端面上流体动压槽结构形式的设计。
背景技术：
：流体端面润滑非接触式机械密封，是在多种形式的离心压缩机、离心鼓风机、膨胀机、泵、反应釜等旋转机械设备中常用的一种轴端密封，是通过在两个相对旋转的机械密封环的密封端面上均匀设置有相应的流体动压槽，利用密封环的旋转剪切作用，使流体进入动压槽内部并沿密封环端面径向压缩获得端面开启力，从而在端面产生一定厚度的气膜并获得气膜刚度，实现两个密封环的长周期非接触运行和密封。改变密封环端面上的槽型，不仅可以获得更强的流体动压效应，还可以获得更好的静压效应，减小密封在低速旋转的情况下，动压效应不足引起的密封环端面接触摩擦。非接触式机械密封端面上设置的槽型可分为单向旋转槽型和双向旋转槽型。双向旋转流体动压槽的流体动压效应相对较弱、抗干扰能力较差，在高压或是运行工况复杂的场合其使用受到限制。单向旋转流体动压槽具有动压效应强、气膜刚度高、抗干扰能力强的优点，典型的槽型为不同形式的单向螺旋槽。但常规单向螺旋槽的缺点是密封环端面泄漏量较大。此外，由于单向螺旋槽的结构设计特点，其静压效应较弱，需要在较高压力和较高转速下才能产生足够的开启力使密封环端面实现非接触，因此在密封盘车和低转速运行时容易引起密封环端面接触磨损。技术实现要素：鉴于此种情况，本发明设计开发了一种既能产生较好的流体动压效应、减少密封环端面泄漏，同时也具备较强静压效应的新型单向旋转流体动压槽密封环，即组合式流体动压槽的非接触机械密封环。本发明组合式流体动压槽的非接触机械密封环的基本结构，是将传统在密封环的密封端面上沿圆周均匀排布有若干相同形式的单个动压槽，改变为了组合式的动压槽单元。各动压槽单元中包括有相邻设置的两个收敛型的螺旋槽和与其收敛的槽尾部相互贯通的圆弧槽。其中：——两螺旋槽相邻开口于密封端面的径向周缘部（外侧或内侧周缘），其中可优选的是相邻开口于密封环端面的径向外侧周缘部。该两螺旋槽在密封端面上的延伸收敛尾部分别与圆弧槽的起始部和中部的圆弧状边缘衔接贯通；——圆弧槽沿密封端面上的圆周方向延伸，并在流体的流动方向上有一个具有弧形槽端的延伸尾部。——各螺旋槽的轴向深度可独立地选择为大于圆弧槽的轴向深度。螺旋槽的轴向深度大于圆弧槽深度，可有利于气体的压缩和气膜的形成。本发明上述组合式流体动压槽的非接触机械密封环的基本工作原理和作用过程，可分为静态和动态两方面。在静态压力作用下，流体介质进入两螺旋槽内后，受静压力的驱动作用可沿收敛的槽型边缘被压缩并经两螺旋槽尾部与圆弧槽的衔接部进入圆弧槽，产生较强的静压效应和静态开启力，使两侧的密封环端面在更低的压力下分离，减少低速、低压运转时端面间的接触磨损。由于动压槽单元中相邻设置有两个收敛型的螺旋槽，因此在静压时可以使流体分别进入两个槽内被同时压缩，产生的静压开启力可成倍大于普通单槽型。在动态运转时，流体经密封环的剪切作用进入两螺旋槽并被快速压缩，在收敛的螺旋槽和圆弧槽的衔接部位产生局部高压，经圆弧槽与螺旋槽收敛的衔接部进入圆弧槽，均匀分布在密封端面中的高压区，产生连续稳定的均匀气膜和较强的动压效应，实现密封环端面间的稳定的非接触式运行。由于本发明上述动压槽单元中的所述螺旋槽采用了收敛型的槽边线设计，即在流体流动方向上的槽宽逐渐减小，从而可使密封环端面泄漏量明显降低。计算和试验表明，相较于非收敛性槽型边线的普通螺旋槽，本发明上述的动压槽单元的泄漏量可降低15~20%。根据不同的设备、不同的密封要求及不同参数工况的需要，在上述结构的基础上，还可以单独或任意组合地采用下述的优选方式。所述的动压槽单元在密封端面上的径向覆盖宽度，一般可为密封端面径向总宽度的30%~80%。其中，就覆盖的径向宽度值而言，可优选使所述圆弧槽的中心线与密封端面中心的径向距离为20mm-600mm。一般情况下，所述动压槽单元在密封端面上沿圆周均匀排布的数量可以为8~48个，例如通常可设置为12个。所述动压槽单元在密封端面上的设置数量，影响开口于密封端面的径向外缘或内缘处的各螺旋槽的开口两端在密封端面上的半径间夹角的大小。一般情况下，各螺旋槽在密封端面径向内/外缘或径向内缘处的槽开口两端在密封端面上的半径间的夹角，可分别独立地选择为2.5°~20°。各螺旋槽开口的角度可以相等或不等，可优选相等的角度。螺旋槽所述的开口角度的大小，可明显影响密封端面间的动压效应。例如，所述开口的角度过大，意味密封端面上的无槽区域（密封堰）减小，流体周向压缩不足，会减小端面的开启力；开口的角度过小，可进入槽中的流体量减小，端面开启力也会减小。所述各螺旋槽的螺旋角可分别独立地选择为10°~30°；更好角度的可为12°~25°。改变槽两侧边缘线的螺旋角可因改变了槽型的收敛性而影响流体产生的气膜刚度、开启力大小、泄漏量大小等参数。例如，适度增大螺旋槽两侧边缘螺旋线的螺旋角差值，槽的收敛型相应增大，密封面旋转时产生的动压效应也会越强，气膜刚度和开启都会增大。但若螺旋角的差值过分增大，则会因为使收敛型的槽变短，动压效应反而也会减弱。此外，所述的各螺旋槽可独立地采用为自槽的开口至其尾部具有相同轴向深度的等深度槽，或是自槽的开口向尾部逐渐变浅的渐变深度槽。采用等深度的槽时，其结构可限制流体只能沿槽边缘线向槽尾部方向压缩，产生的流体动压效应稍小。而采用深度由深渐浅的渐变深度槽时，流体还可以在槽底部产生由槽的周缘开口向其收敛尾部的压缩，从而可获得更强的流体动压效应。密封端面周缘部的槽开口深度还会影响密封端面的泄漏量。槽越深，其端面的泄漏量也将会越大。流体在沿由深变浅的渐变深度槽流动时，密封环端面的泄漏量将会逐渐降低。一般而言，考虑端面动压效应和泄漏量的最优化等因素，无论是等深槽或是由深渐浅的渐变深度槽，所述两螺旋槽中处于旋转方向前方位置的槽的轴向深度可选择为5~25微米，优选为8~15微米；位于其后方的槽的轴向深度可为5~15微米，优选为5~10微米。上述动压槽单元中的两个螺旋槽，除可以具有相同轴向深度外，更好的方式是还可以采用分别具有不同轴向深度的形式，特别是使两螺旋槽中处于旋转方向前方位置的槽的轴向深度大于位于其后方的槽的轴向深度。例如，当处于旋转方向前方位置的槽的轴向深度大于位于其后方槽的轴向深度时，计算和实验均表明，在动态运行时，流体进入前方的深槽被压缩后，一部分流体可沿两槽间的无槽分隔区域进入后方的浅槽中，并与原浅槽中的流体一起而被二次压缩，从而可增强组合槽型的动压效应，产生更大的端面开启力和气膜刚度。上述动压槽单元结构中的所述圆弧槽，其主要作用是增大密封环端面的静压效应和均布密封环端面间的压力，减小密封环端面在低速运转或是盘车时的接触磨损和运转时端面间气膜的稳定性。其中：所述圆弧槽的长度可由其圆弧形的槽两端在密封端面上的半径间夹角确定。根据动压槽单元在密封端面上排布数量的不同，圆弧槽两端在密封端面上的半径间的夹角一般可为5°~45°。改变圆弧槽的所述夹角，可影响密封端面间的压力分布以及流体静压效应的强弱。一般说来，该夹角越大，静压效应越强，端面压力分布越均匀，但泄漏量同时会明显增加；夹角变小，泄漏量可随之减小，但会使静压效应不足，端面间压力分布的均匀性降低，密封环运行的不稳定性增大。此外，一般情况下，所述圆弧槽的径向宽度可为1mm~5mm。所述圆弧槽延伸尾部的弧形槽端的半径，一般可为该圆弧槽径向宽度的1/2。除特殊工况或是要求外，一般情况下所述圆弧槽的轴向深度可为2~10微米，更好的深度是2~5微米。圆弧槽同样也可以采用具有相等轴向深度的等深槽，或采用自其起始部沿流体流动方向的轴向深度由深渐浅的渐变深度槽。圆弧槽的深度改变也可影响密封端面的泄漏量。计算表明，增大圆弧槽的深度，可相应增强密封端面的静压效应，但密封的泄漏量也会相应明显增加。采用所述渐变深度的圆弧槽，也可使密封环端面的动压效应有所提高。特别是，一方面使圆弧槽具有较浅深度，同时又使收敛型设计的螺旋槽使其在延伸收敛的尾部与圆弧槽的衔接贯通部的圆弧宽度变短时，可使进入动压槽单元的流体被节流，可进一步减小密封端面的泄漏量，动压槽单元也能具有更大的开启力、高气膜刚度、端面泄漏小以及良好的静压效应的能力。所述各螺旋槽的延伸收敛尾部与圆弧槽衔接贯通部的圆弧长度，通常可分别独立地选择为2mm~15mm。由此可以理解，本发明上述形式组合式单向旋转流体动压槽的非接触机械密封环，其密封端面上动压槽单元中两相邻收敛型螺旋槽可以增强密封流体动压效应，增大密封端面的开启力，同时也可减小泄漏量，而圆弧槽则可以均布端面压力分布和产生良好的流体静压效应，增强密封端面的静压开启力，减少低速运行时端面的磨损。本发明上述结构形式的密封环，可以适用于多种非接触式机械密封装置中的可随机械转轴一起旋转的旋转环，和/或不随机械转轴旋转的静止环。以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。附图说明图1是本发明非接触机械密封环密封端面上的组合式流体动压槽的一种结构示意图。图2是图1中的局部放大结构示意图。具体实施方式实施例1如图所示，本发明组合式流体动压槽的非接触机械密封环，在内径为120mm，外径为162mm的密封环端面上，沿密封端面的径向外侧部分的圆周均匀排布有12个相同形式的动压槽单元。各动压槽单元中包括有相邻设置的两个收敛型的螺旋槽1，2及与其收敛的槽尾部相贯通的圆弧槽3。各相邻的动压槽单元之间以及动压槽单元中两螺旋槽之间为具有端平面高度的密封堰隔离区域18和17；动压槽单元中圆弧槽3径向内侧槽边缘与密封端面内侧周缘之间为具有密封端平面高度的密封坝隔离区域16。两螺旋槽1，2相邻开口于密封端面的径向外侧周缘部，两螺旋槽1，2在密封端面外缘的开口15，14两端在密封端面上的半径间的夹角角度A1和A2均为11°；两螺旋槽1，2在密封端面上的延伸收敛尾部依次分别与圆弧槽3的起始部和中部的圆弧状边缘12，13自然相交并衔接贯通，相交衔接的弧长在2-15mm之间。螺旋槽1的两侧边缘线7和6及螺旋槽2的两侧边缘线4，5，分别均采用18°和12°螺旋线的收敛型槽，且在密封端面旋转方向上螺旋槽1位于螺旋槽2的前方位置。两螺旋槽分别均不同轴向深度的等深度的槽，其中螺旋槽1的轴向深度为15微米，螺旋槽2的轴向深度8微米。与两螺旋槽1，2分别衔接贯通的圆弧槽3在密封端面上沿圆周方向延伸、轴向深度为4微米的等深度槽。其在密封端面上的槽外壁11的半径R1为73mm，内壁10的半径R2为71mm。圆弧槽3的起始端为与螺旋槽1前方边缘线6的延伸段8衔接的贯通部位；在与螺旋槽2的圆弧状边缘13衔接贯通部位之后的流体流动方向上有一个具有半径为1mm的半圆弧的尾端9的延伸尾部。圆弧槽3两端在密封端面上的半径间的夹角A3为24°度。本发明上述密封环与目前常用的不同单向旋转流体动压槽的非接触式机械密封环的综合性能的对比结果，如表1所示。表1不同单向旋转流体动压槽的非接触式机械密封环综合性能效果对比流体动压槽型式开启力动态泄漏量静压效应普通螺旋槽110.37252尖角槽0.843310.432520.72598环形螺旋槽0.657200.708241本发明螺旋槽单元0.997220.812130.80529实施例2本例的结构与实施例1基本一致。不同处在于，将所述动压槽单元中的螺旋槽1和2的轴向槽深由等深槽变为自槽的开口向圆弧槽3由深逐渐变浅的渐变深度槽的槽。其中，螺旋槽1最深的开口部15的深度为20微米，与圆弧槽3衔接的贯通部12的最浅深度为5微米。螺旋槽2最深的开口部14的深度为12微米，与圆弧槽3衔接的贯通部13的最浅深度为5微米。圆弧槽3采用槽深5微米的等深槽。本例形式的动压槽单元的槽型较实施例1的动压效应增强，端面泄漏量可减小，但槽型的加工难度比实施例1的大。当前第1页1 2 3